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隨著天氣轉暖，小編也把厚厚的棉衣收了起來，換上了輕便的春裝。然而…沒有了厚衣服的遮擋，過年不慎補充的全身脂肪覆蓋層變得尤為(wei) 突出…

為(wei) 了以全新的麵貌迎接春天，小編也開始了“全身脂肪覆蓋層無痛消除術”，然而在跑步機上跑著跑著，想到了中午為(wei) 了減肥才吃的寶塔菜，忽然感覺自己陷入了一個(ge) 巨大的謎團，怎麽(me) 這種蔬菜的形狀越想越奇怪？？？

圖片來源丨圖蟲創意

經過一番縝密的思考，小編認為(wei) 努力思考同樣可以達到“全身脂肪覆蓋層無痛消除術”的目的，進而將每日份的運動替換為(wei) 每日份思考寶塔菜…沒想到，小小的寶塔菜背後的故事這麽(me) 引人入勝…

可預測性

在我們(men) 從(cong) 小到大學習(xi) 星空体育官网入口网站的數理課堂中，我們(men) 逐漸感受到世界是充滿秩序的：已知表達式和定義(yi) 域的函數，其曲線走向是可預測的；已知化學反應的反應物與(yu) 反應條件，生成物是可預測的；已知運動物體(ti) 的初始位置與(yu) 運動規律，接下來任意時刻的速度與(yu) 位置是可預測的…

我們(men) 對科學帶來的這種“可預測性”的印象，一部分源於(yu) 伽利略（Galileo Galilei）和牛頓（Issac Newton）對鍾擺擺動的研究。

1581年，伽利略觀察吊燈的擺動時，意識到了擺動這個(ge) 現象存在著可被預測的規律。經過一段時間的觀察，伽利略發現盡管擺動幅度不同，但晃動吊燈來回擺動一次的時間是一樣的。

圖片來源：pixabay

為(wei) 了對這個(ge) 有趣的現象進行進一步的探究，伽利略用大小不同、長度相同的鍾擺進行擺動周期實驗，他用自己的脈搏來計時。

最終證實了鍾擺的擺動時間不取決(jue) 於(yu) 器大小，也不取決(jue) 於(yu) 其位置，隻取決(jue) 於(yu) 其長度。在伽利略的這項研究開始，鍾擺的擺動變得可預測了。

在伽利略之後，牛頓利用微分方程得到了鍾擺的長度（l）與(yu) 擺動周期（T）之間的精確數學關(guan) 係：

這使得我們(men) 在“可預測性”上有了更大的進展，鍾擺擺動的運動規律不僅(jin) 可以被定性的預測，還可以被精確地定量預測。

我們(men) 知道，牛頓發現了許多現象背後的定律，並且發明了微積分等數學方法作為(wei) 有力的工具幫助我們(men) 理解宇宙的基本定律。

其中，我們(men) 最為(wei) 熟悉的牛頓三大定律簡潔優(you) 美的描述了宏觀物體(ti) 的運動規律。也讓我們(men) 認識到，將運動現象背後的規律用數學公式來描述，特別是微分方程，可以精確地描述運動如何隨時間演化，也就是可預測性。

可預測性無疑是讓人著迷的，但仔細想想，是否所有的現象都可以用這種以“可預測性”為(wei) 基礎的科學思想來描述呢？

混沌(Chaos)

從(cong) “是否可被預測”出發，我們(men) 可以想到很多非常貼近日常生活的例子：長期天氣預報、動物種群數量的發展，等等。這些例子中似乎隱藏著更加迷人的“不可預測性”。

我們(men) 無法通過微分方程精確的獲得大氣運動的信息，這些例子比起“鍾擺擺動”這樣的例子有什麽(me) 不同呢？

想到“不確定性”，我們(men) 可能會(hui) 對其概念感到陌生和模糊，從(cong) 科學研究的角度出發，不確定性被定義(yi) 為(wei) “係統前後不同時刻間存在的某種隨機關(guan) 係，而從(cong) 統計學意義(yi) 上來講，主要表現為(wei) 當下與(yu) 未來之間的因果關(guan) 係”。

“不確定性”吸引著研究者們(men) ，逐漸發展出了一門新興(xing) 的學科——混沌(Chaos)。

在19世紀80年代末，從(cong) Henri Poincaré對天體(ti) 力學中的三體(ti) 問題的研究開始，混沌就開始出現在了科學研究領域。

Edward Lorenz | 圖片來源 [3]

直到1963年，麻省理工學院的一位氣象學家Lorenz的研究認為(wei) 對於(yu) 確定性的可預見性是一種錯覺，並由此產(chan) 生了一個(ge) 仍然蓬勃發展的領域——混沌理論。

混沌理論認為(wei) 哪怕是最簡單的方程式（不含任何隨機因子），一切可知，隻要運行過程中出現一點點偏差，結果也會(hui) 跟最初的設想大相徑庭。

蝴蝶效應——敏感依賴性

在當時，預測天氣有兩(liang) 種方式：第一，使用線性程序預測天氣，其前提是明天的天氣是今天天氣特征的一個(ge) 定義(yi) 良好的線性組合；第二，通過模擬大氣流動的流體(ti) 動力學方程來更準確地預測天氣。

在一次對比這兩(liang) 種計算方式時，Lorenz發現計算機模擬得出兩(liang) 個(ge) 月以後的天氣數據與(yu) 以往的大不相同。然而Lorenz發現這次計算的“錯誤”竟然源自模擬過程中初值的四舍五入。

由此，Lorenz發現了混沌的一個(ge) 定義(yi) 性質——對初值的敏感依賴性。下圖中的這裏球體(ti) 代表洛倫(lun) 茲(zi) 方程的迭代。

洛倫(lun) 茨吸引子 | 圖片來源 [3]

1972年，在一次會(hui) 議中，Lorenz講述了一個(ge) 題為(wei) “可預測性:巴西蝴蝶扇動翅膀會(hui) 在德克薩斯州引發龍卷風嗎？”的報告。

他用一隻蝴蝶來比喻一個(ge) 微小的、看似無關(guan) 緊要的、可以改變天氣進程的微擾——也就是我們(men) 所熟知的“蝴蝶效應”。

圖片來源：pixabay

讀到這裏，你可能會(hui) 自然而然的產(chan) 生的一個(ge) 疑問：計算機模擬通常會(hui) 在某一時刻引入舍入誤差，而這個(ge) 誤差會(hui) 被混沌所放大，那麽(me) Lorenz的解可以反應真實的混沌軌跡嗎？

答案是肯定的，這是因為(wei) 一種被稱為(wei) “陰影”(Shadowing)的特性:盡管對於(yu) 任何給定的初始條件，數值軌跡都與(yu) 精確的軌跡不同，但在附近總存在一個(ge) 初始條件，它的精確軌跡在預先規定的一段時間內(nei) 被數值軌跡近似。

混沌吸引子(Chaotic Attractor)

通過對混沌係統的研究，Lorenz在1963年正式提出了洛倫(lun) 茲(zi) 方程，其典型的軌跡往往會(hui) 收斂到一個(ge) 非整數的有界結構，如上圖所示，被稱為(wei) 混沌吸引子(Chaotic Attractor)。

混沌吸引子的引入可以方便我們(men) 理解，混沌係統由於(yu) 對初值具有敏感依賴性，其軌跡何時會(hui) 發生“混亂(luan) ”。

首先，位於(yu) 吸引子上的軌跡會(hui) 表現出不同於(yu) 線性係統的混沌行為(wei) ，除此之外，任何位於(yu) 吸引子吸引域內(nei) 的點同樣會(hui) 產(chan) 生向吸引子收斂的混沌軌跡。

由於(yu) 混沌吸引子的存在，不同於(yu) 單擺軌跡存在周期性，混沌係統中則是不存在周期性軌跡的，或者可以說——周期性軌跡是發散的。

這也是混沌的本質特征：非周期性意味著敏感依賴，敏感依賴是非周期性的根本原因。

分形(Fractal)

是不是從(cong) 上麵的概念走出來已經有點雲(yun) 裏霧裏了？沒關(guan) 係，寶塔菜這不就要來了嗎！

提到混沌，總是離不開另一個(ge) 概念——分形。比起前麵提到的抽象概念，分形更加具象化，在日常生活中也有很多例子。

寶塔菜形貌 | 圖片來源：pixabay

樹枝的分形 | 圖片來源：pixabay

曼德勃羅集 | 圖片來源：pixabay

通過以上三幅圖片我們(men) 可以看出，分形似乎是指從(cong) 小尺度到大尺度圖形的相似性，那麽(me) ，分形的準確的定義(yi) 是什麽(me) 呢？

分形結構或分形過程可以粗略地定義(yi) 為(wei) 具有在尺度上保持恒定的特征形式，即具有自相似的性質。

如果一個(ge) 結構的小尺度形式與(yu) 大尺度形式相似，那麽(me) 它就是分形的。

仔細想想，寶塔菜給我們(men) 奇怪的感覺似乎就來源於(yu) 分形，它的形貌和我們(men) 通常接觸到的幾何圖形都不同。

從(cong) 混沌到分形

在上文中，我們(men) 分別介紹了混沌與(yu) 分形，這二者之間的關(guan) 係又是什麽(me) 樣子的呢？

混沌吸引子通常是分形的。我們(men) 可以考慮混沌吸引子附近相空間中點的軌跡：受到混沌吸引子的影響，附近相空間中的點會(hui) 表現出非線性的趨勢，即分別在不同的方向上受到混沌吸引子的拉伸和收縮。

在拉伸和收縮的共同作用下，相空間中的點會(hui) 形成“細絲(si) ”，由於(yu) 軌跡是有界的，這些“細絲(si) ”會(hui) 自然而然的折疊。

當混沌吸引子帶來的這種影響無限期的重複，產(chan) 生的結果就是分形。

類似於(yu) 我們(men) 通過圖像可以獲得相關(guan) 的物理信息，混沌吸引子的幾何結構可以定量地與(yu) 其動力學特性相關(guan) 。

混沌、分形這些概念聽起來特變抽象，比起Lorenz研究的氣象係統，有沒有更加生動簡單的例子可以反映出混沌理論的思想呢？

生物學中的混沌

混沌理論竟然和生物學領域高度相關(guan) ，用這種思想進行生物學研究的科學家同樣也讓小編感到意外——艾倫(lun) ·麥席森·圖靈(Alan Mathison Turing)。

圖靈對胚胎發育過程進行了深刻的思考，他認為(wei) 可以用簡單的數學公式來描述這個(ge) 複雜的過程。

最開始，胚胎內(nei) 部的細胞是完全一樣的，會(hui) 按照簡單規律進行自組織，自組織的過程不斷重複，直到某個(ge) 階段開始會(hui) 突然呈現複雜模式，逐漸形成各種不同的細胞，最終發育成不同的器官——這個(ge) 過程被稱為(wei) 形態發生。

圖靈嚐試用數學來解釋生命體(ti) 如何從(cong) 自然、均勻的狀態逐漸演變成不均勻的重複圖案，即從(cong) 自組織到模式出現的過程。

另一方麵，著名的別洛烏(wu) 索夫(Belousov)振蕩實驗也是自組織導致模式自發形成的例子。

他發現，將兩(liang) 種溶液混合形成有色液體(ti) ，液體(ti) 變得澄清，再變為(wei) 有色…一直循環往複這一過程。

別洛烏(wu) 索夫振蕩反應 |

別洛烏(wu) 索夫溶液自發產(chan) 生的隨機漣漪圖案狀說明：係統在不受外部條件因素幹擾的情況下可以自發無規律變化。這同樣是由自組織到模式形成的例子。

寶塔菜的分形

學習(xi) 了這麽(me) 多有關(guan) 混沌、分形在數學領域和生物學領域的星空体育官网入口网站，我們(men) 依然要不忘初心——那為(wei) 啥寶塔菜長分形了呢？

首先，我們(men) 需要了解植物的器官是怎麽(me) 發育而來的——在整個(ge) 發育過程中，植物分生組織定期以螺旋、對生或輪生方式產(chan) 生器官。

想想普通的花菜，其特殊的結構源於(yu) 每一個(ge) 分生組織產(chan) 生的初生花原基都沒有最終發育到開花階段，而是重複性的產(chan) 生了更多相同的初生花原基，類似於(yu) 一個(ge) 發育過程中的“雪崩”效應。

花菜 | 圖片來源：pixabay

而寶塔菜結構的自相似性是因為(wei) 分生組織雖然最終不能形成花，但在發育過程中，初生花原基短暫的出現了一個(ge) “魂穿”的過程，即短暫的保持著花的“記憶”。

這一短暫的過程影響分生組織的生長，產(chan) 生了額外的突變，可誘導產(chan) 生圓錐形結構，最終形成了具有自相似特征的圓錐結構，也就是分形。

寶塔菜的分形結構 | 圖片來源：pixabay

想不到尋常的寶塔菜背後竟然隱藏著這麽(me) 多複雜的星空体育官网入口网站點，果然是最高端的星空体育官网入口网站隻需要最樸素的展現方式啊~

現在，無論是混沌還是分形，都逐漸與(yu) 物理、數學、生物、化學等領域進行融合，交叉發展出了很多新奇有趣的成果，你還知道哪些相關(guan) 的有趣現象呢？

參考文獻

[1] 陳璐. 一個(ge) 具有自組織結構超混沌係統的控製與(yu) 同步研究[D].東(dong) 北師範大學,2019.

[2] 王翔. 分布混沌理論及其應用研究[D].大連理工大學,2021.

[3] Physics T oday 66, 5, 27 (2013).

[4] The Secret Life of Chaos, BBC.

[5] Sean Bailly,L’art fractal du chou romanesco, Pour la Science, Septembre, 9, (10-11), (2021).

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